Scientia

În al treilea episod al documentarului dedicat mecanicii cuantice, aventura lui Kevin şi a Dianei pe  acest tărâm fantastic al ştiinţei continuă cu dezbaterea principiului incertitudinii formulat de Werner Heisenberg, urmată apoi de prezentarea celei mai frumoase ecuaţii din istoria ştiinţei, ecuaţia lui Schrödinger.

Mecanica cuantică - partea a 2-a

IDEEA DE INCERTITUDINE ÎN LUMEA CUANTICĂ

Werner Heisenberg este unul dintre pionii importanţi ai revoluţiei cuantice. Plecând de la imprecizia poziţiei electronilor în cadrul orbitelor undelor staţionare ale lui de Broglie, acesta introduce o idee extraordinară pe care o formulează în felul următor: “Pe măsură ce determinăm mai precis poziţia unui electron, precizia de determinare a vitezei sale scade şi viceversa.” Aceasta este una din formele celebrului principiu al incertitudinii.

Şi deşi fraza anterioară sună destul de straniu, ea conţine conceptul necesar înţelegerii naturii duale, particulă-undă, a obiectelor din lumea cuantică. Acest enunţ al lui Heisenberg a condus la înţelegerea faptului că particulele subatomice pot dispărea pentru a reapărea într-o altă poziţie în spaţiu. Şi pot face asta fără a exista în spaţiul dintre cele două puncte.

Când un electron este parte a unui atom, locurile de unde poate dispărea şi cele în care poate reapărea sunt doar anumite zone din jurul nucleului. Şi asta creează aparenţa unui "înveliş", aşa-zisul orbital electronic. Particulele elementare pot exista, de asemeni, în mai mult de o locaţie în acelaşi timp, cu condiţia ca timpul să fie extrem de scurt. Un electron poate călători dintr-un loc în altul parcurgând toate drumurile posibile simultan. Şi, încă mai şocant, aceste particule pot apărea din nimic, pentru a exista pentru un timp foarte scurt şi a dispărea, la fel, în neant.

Oamenii de ştiinţă le-au numit particule virtuale. Deşi virtuale, ele generează efecte "foarte" reale. Toate aceste manifestări uimitoare fac ca descrierea particulelor subatomice să fie extrem de dificilă şi inexactă, dar existenţa însăşi este inexactă la această scară cuantică.

Se pune deseori întrebarea: ce oscilează, care este proprietatea variabilă atunci când ne referim la o particulă ca fiind o undă? Şi după foarte multe încercări de a oferi un răspuns, s-a ajuns la concluzia că existenţa însăşi este cea are o natură ondulatorie. Particula "oscilează" parcă încontinuu între două lumi, apărând şi dispărând, iar acele locuri în care valorile undei asociate sunt maxime sunt cele unde particula se materializează de cele mai multe ori, în timp ce locaţiile unde valorile undei asociate sunt minime sunt cele pe care particula le evită. Unda este o veritabilă hartă a existenţei particulei şi, pe măsură ce unda se modifică, particula se schimbă la rândul ei.

ECUAŢIA LUI SCHRÖDINGER

Cu toate că majoritatea ideilor importante necesare consolidării edificiului teoriei cuantice fuseseră stabilite deja, a fost nevoie de geniul lui Erwin Schrödinger pentru a dezvolta o ecuaţie care să descrie corect mişcarea şi comportamentul "locuitorilor" lumii cuantice. Dacă Bohr şi de Broglie reuşiseră să descrie corect atomul de hidrogen, ecuaţia lui Schrödinger făcea şi ea acest lucru. Dar acest construct matematic, născut într-un moment de geniu (într-o frumoasă vacanţă petrecută cu amanta n.r.), a reprezentat infinit mai mult. Ecuaţia lui Schrödinger explică nu numai comportamentul hidrogenului, dar descrie nici mai mult nici mai puţin decât atomii tuturor elementelor din Univers.

Mecanica cuantică a lui Schrödinger explică comportamentul tuturor elementelor din Tabelul Periodic. Soluţia acestei ecuaţii, numită “funcţie de undă”, descrie cu o acurateţe fantastică lumea în care trăim.

Densitatea de probabilitate a electronului
pentru primii câţiva orbitali ai atomului de hidrogen

Mecanica cuantică - partea a 4-a

________
Notă: articolul de mai sus este reproducerea aproximativă a textului folosit în film.
Traducerea: Scientia.ro.
Credit: www.cassiopeiaproject.com